李 偉
(晉控電力塔山發(fā)電山西有限公司,大同 037000)
從電廠熱工過程控制的實(shí)踐操作來看,一般PID控制器無法應(yīng)對電廠復(fù)雜的動力結(jié)構(gòu),建構(gòu)出精準(zhǔn)而完善的數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)對各個(gè)動力系統(tǒng)的有效控制,因此在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的局限性,無法適應(yīng)當(dāng)前日趨復(fù)雜的電廠內(nèi)部結(jié)構(gòu),因此必須對一般PID控制器進(jìn)行優(yōu)化,從而拓寬該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
一般PID控制器本身的參數(shù)整定方法具有局限性,因此無法適應(yīng)多元化的動力工況,為解決這一問題,必須對PID控制器的性能進(jìn)行研究[1]。對PID控制器的研究歷時(shí)已久,很多研究人員在對一般PID控制器的性能進(jìn)行優(yōu)化時(shí),逐漸產(chǎn)生規(guī)則整定法、閉環(huán)搜索法、間接自整定等一些多樣化的參數(shù)整定方法,但是這些方法普遍都需要遵循較多的運(yùn)行規(guī)則,同時(shí)還要對多樣化的特征參數(shù)進(jìn)行辨識,因此只適用于一些工況比較簡單的電廠,無法應(yīng)用于復(fù)雜的工況過程控制,而部分研究人員通過改進(jìn)PID算法的方式對PID控制器進(jìn)行優(yōu)化,并產(chǎn)生選擇性控制算法、非線性控制算法、自適應(yīng)性控制算法等先進(jìn)算法,并且綜合應(yīng)用智能控制技術(shù),對學(xué)習(xí)算法、直覺推理規(guī)則、啟發(fā)式直觀判斷、專家經(jīng)驗(yàn)等方法進(jìn)行有效利用,從而形成智能PID控制器,使電廠熱工過程控制水平有顯著提升[1]。
PID三個(gè)字母是比例,積分,微分的英文首字母縮寫??梢娺@三個(gè)功能在系統(tǒng)中都起作用,只是負(fù)責(zé)的功能不同。
PID控制應(yīng)該算是應(yīng)用非常廣泛的控制算法了。小到控制一個(gè)元件的溫度,大到控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)和飛行速度等等,都可以使用PID控制[2]。
總的來說,當(dāng)?shù)玫较到y(tǒng)的輸出后,將輸出經(jīng)過比例,積分,微分3種運(yùn)算方式,疊加到輸入中,從而控制系統(tǒng)的行為,下面用一個(gè)簡單的實(shí)例來說明。
先說PID中最簡單的比例控制,拋開其他兩個(gè)不談。還是用一個(gè)經(jīng)典的例子,假設(shè)有一個(gè)水缸,最終的控制目的是要保證水缸里的水位永遠(yuǎn)的維持在1米的高度。假設(shè)初試時(shí)刻,水缸里的水位是0.2米,那么當(dāng)前時(shí)刻的水位和目標(biāo)水位之間是存在一個(gè)誤差的error,且error為0.8。這個(gè)時(shí)候,假設(shè)旁邊站著一個(gè)人,這個(gè)人通過往缸里加水的方式來控制水位。如果單純的用比例控制算法,就是指加入的水量u和誤差error是成正比的。即u=kp*error,假設(shè)kp取0.5,那么t=1時(shí)(表示第1次加水,也就是第一次對系統(tǒng)施加控制),那么u=0.5*0.8=0.4,所以這一次加入的水量會使水位在0.2的基礎(chǔ)上上升0.4,達(dá)到0.6。接著,t=2時(shí)刻(第2次施加控制),當(dāng)前水位是0.6,所以error是0.4。u=0.5*0.4=0.2,會使水位再次上升0.2,達(dá)到0.8,如此這么循環(huán)下去,就是比例控制算法的運(yùn)行方法,可以看到,最終水位會達(dá)到我們需要的1米。但是,單單的比例控制存在著一些不足,其中一點(diǎn)就是穩(wěn)態(tài)誤差!
像上述的例子,根據(jù)kp取值不同,系統(tǒng)最后都會達(dá)到1米,不會有穩(wěn)態(tài)誤差。但是,考慮另外一種情況,假設(shè)這個(gè)水缸在加水的過程中,存在漏水的情況,假設(shè)每次加水的過程,都會漏掉0.1米高度的水。仍然假設(shè)kp取0.5,那么會存在著某種情況,假設(shè)經(jīng)過幾次加水,水缸中的水位到0.8時(shí),水位將不會再變換!?。∫?yàn)?,水位?.8,則誤差error=0.2.所以每次往水缸中加水的量為u=0.5*0.2=0.1.同時(shí),每次加水缸里又會流出去0.1米的水?。?!加入的水和流出的水相抵消,水位將不再變化!也就是說,如果目標(biāo)是1米,但是最后系統(tǒng)達(dá)到0.8米的水位就不在變化了,且系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。由此產(chǎn)生的誤差就是穩(wěn)態(tài)誤差了。(在實(shí)際情況中,這種類似水缸漏水的情況往往更加常見,比如控制汽車運(yùn)動,摩擦阻力就相當(dāng)于是“漏水”,控制機(jī)械臂、無人機(jī)的飛行,各類阻力和消耗都可以理解為本例中的“漏水”),所以,單獨(dú)的比例控制,在很多時(shí)候并不能滿足要求。
換一個(gè)另外的例子,考慮剎車情況。平穩(wěn)的駕駛車輛,當(dāng)發(fā)現(xiàn)前面有紅燈時(shí),為了使得行車平穩(wěn),基本上提前幾十米就放松油門并踩剎車了。當(dāng)車輛離停車線非常近的時(shí)候,則使勁踩剎車,使車輛停下來。整個(gè)過程可以看做一個(gè)加入微分的控制策略。
微分,說白了在離散情況下,就是error的差值,就是t時(shí)刻和t-1時(shí)刻error的差,即u=kd*(error(t)-error(t-1)),其中的kd是一個(gè)系數(shù)項(xiàng)??梢钥吹剑趧x車過程中,因?yàn)閑rror是越來越小的,所以這個(gè)微分控制項(xiàng)一定是負(fù)數(shù),在控制中加入一個(gè)負(fù)數(shù)項(xiàng),他存在的作用就是為了防止汽車由于剎車不及時(shí)而闖過了線。從常識上可以理解,越是靠近停車線,越是應(yīng)該注意踩剎車,不能讓車過線,所以這個(gè)微分項(xiàng)的作用,就可以理解為剎車,當(dāng)車離停車線很近并且車速還很快時(shí),這個(gè)微分項(xiàng)的絕對值(實(shí)際上是一個(gè)負(fù)數(shù))就會很大,從而表示應(yīng)該用力踩剎車才能讓車停下來[2]。
切換到上面給水缸加水的例子,就是當(dāng)發(fā)現(xiàn)水缸里的水快要接近1的時(shí)候,加入微分項(xiàng),可以防止給水缸里的水加到超過1米的高度,說白了就是減少控制過程中的震蕩。
講到這里,PID的原理和方法就說完了,剩下的就是實(shí)踐了。在真正的工程實(shí)踐中,最難的是如果確定三個(gè)項(xiàng)的系數(shù),這就需要大量的實(shí)驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)來決定了。通過不斷的嘗試和正確的思考,就能選取合適的系數(shù),實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制器。
電廠熱工過程中的溫度不比壓力、流量、液位被控變量的控制,因?yàn)闇囟葌鬟f存在滯后性。其中就涉及到滯后時(shí)間這個(gè)對象特性,一般有純滯后、容量滯后。前者一般指工藝段物料傳輸需要時(shí)間引起的,后者一般指被控對象的熱交換、物料連續(xù)經(jīng)過多個(gè)容器才能建立一個(gè)穩(wěn)定信號需要時(shí)間引起的。明了點(diǎn)就是溫度的真實(shí)值一下子反應(yīng)不出來要等下才能顯示真實(shí)值[3]。
在溫度閉環(huán)控制中,為了解決這個(gè)問題就要用PID溫度控制器。關(guān)鍵用的還是PID中的D(微分控制),微分控制的作用就是超前控制。假設(shè)現(xiàn)在有個(gè)物料溫度需要控制,想控制在35℃(35℃就是目標(biāo)值)。PID控制有P、PI、PD、PID等控制,又考慮到被控變量是溫度,因此需要選用PID控制。
溫度傳感器檢測到溫度,此時(shí)得到的溫度值會跟目標(biāo)值(35°)比較得到偏差,然后控制器判斷快速做出處理判斷發(fā)出信號執(zhí)行器調(diào)節(jié)溫度[3],此時(shí)會得到一個(gè)新的動態(tài)溫度穩(wěn)態(tài)值,溫度傳感器又會把此值信號傳送給控制器跟目標(biāo)值比較得到一個(gè)余差,那么需要I積分控制介入,溫度控制器處理判斷后再次發(fā)出信號執(zhí)行器調(diào)節(jié)溫度,達(dá)到新動態(tài)穩(wěn)定后,把新的穩(wěn)態(tài)值傳輸給控制器跟目標(biāo)值比較后還是控制不理想需要D微分控制的介入。因此PID參數(shù)整定是一個(gè)枯燥無味的過程,有時(shí)想提高控制質(zhì)量找到理想的PID三個(gè)控制參數(shù)值花費(fèi)不少功夫。
要實(shí)現(xiàn)溫度控制動態(tài)穩(wěn)定在35°附近,需要進(jìn)行PID參數(shù)整定。先比例后積分,最后用微分。溫度控制儀可以自動整定PID,也可以手動整定PID。
總體說來,PID控制器簡單易懂,使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件,因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。但是,PID也不是全能的。很重要的一點(diǎn)是因?yàn)?PID控制器主要適用于基本上線性,且動態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng),但是對復(fù)雜非線性系統(tǒng)和復(fù)雜信號追蹤,還是有局限性的。